Гидрофобные взаимодействия и моющее действие
Наличие гидрофобных взаимодействий (см. подраздел 5.5) позволяет с позиций термодинамики объяснить процесс мицеллообразования. Как уже отмечалось, в результате растворения углеводородов энтропия системы снижается. Система, в данном случае водные растворы коллоидных ПАВ, самопроизвольно реагирует на это снижение путем резкого уменьшения числа контактов между неполярными радикалами молекул ПАВ и молекулами воды; происходят самопроизвольное уменьшение концентрации ПАВ в растворе и ассоциация молекул ПАВ, которая реализуется в таком явлении, как мицеллообразование.
Таким образом, контакт между неполярными радикалами молекул ПАВ заменяется в мицеллах гидрофобными взаимодействиями самих неполярных радикалов. Для осуществления мицеллообразования за счет гидрофобных взаимодействий необходимо, чтобы эти взаимодействия достаточно хорошо проявлялись. Их энергия определяется длиной углеводородного неполярного радикала, что характерно для коллоидных ПАВ.
Как уже отмечалось, неполярные гидрофобные группы дифильных молекул коллоидных ПАВ образуют так называемое ядро мицеллы (см. 4 на рис. 21.3), а полярные группы формируют внешнюю поверхность мицеллы, активно взаимодействующую с водой. Образование ядра мицелл происходит в результате гидрофобных взаимодействий между неполярными радикалами молекул коллоидных ПАВ.
Гидрофобные взаимодействия оказывают влияние на процесс солюбилизации. Когда в водном растворе коллоидных ПАВ, концентрация которых превышает ККМ, содержатся малорастворимые или нерастворимые углеводороды, например бензол, то молекулы углеводородов, проникают в мицеллы. Молекулы углеводородов неполярны; между ними и неполярными радикалами молекул ПАВ ядра мицеллы возникают гидрофобные взаимодействия, в результате которых молекулы углеводородов закрепляются в мицеллах. Молекулы углеводородов из водной среды переходят в мицеллы — происходит как бы их растворение. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока в ядрах мицелл будет оставаться место для контактов между молекулами углеводородов и неполярными радикалами молекул ПАВ, т.е. для осуществления гидрофобных взаимодействий.
|
|
|
В отличие от растворов других ПАВ водные растворы коллоидных ПАВ обладают моющим действием. Под моющим действием подразумевают совокупность коллоидно-химических процессов, которые приводят к удалению загрязнений с различных поверхностей и удержанию этих загрязнений в растворе. Загрязнения представляют собой маслянистые продукты (животные жиры, жирные кислоты, нефтепродукты) в смеси с другими твердыми веществами минерального и органического происхождения.
|
|
|
Стадии моющего действия при удалении жировых загрязнений показаны на рис. 21.4. Первая стадия — это смачивание твердой поверхности (см. рис. 3.3, а), когда происходит замена границы раздела загрязнение — воздух и твердая поверхность — воздух на границу раздела масло — вода (М—В) и твердая поверхность — вода (Т—В). Улучшение смачивания происходит в результате снижения поверхностного натяжения (см. рис. 5.3) при адсорбции ПАВ на границе раздела фаз.
На второй стадии моющего действия происходит отрыв частиц загрязнений. Для характеристики условий отрыва жировых загрязнений (см. рис. 3.1 и 21.4) обозначим σ12= σТМ, σ13= σМВи σ23= σТВ(где М — масляные загрязнения, В — вода, Т — твердая поверхность).
Изменение поверхностного натяжения эквивалентно изменению энергии Гиббса (Δ G В) в расчете на единицу площади раздела фаз. Оно определяет возможность преодоления адгезии масляных загрязнений в направлении, обратном формированию адгезионного взаимодействия [см. уравнение (3.1)]. Значение Δ G Вможно выразить как разность между начальным (до удаления загрязнения) поверхностным натяжением σТМи его конечным значением (после удаления этих загрязнений), а именно σТМ + σМВ, (рис. 24.4)
|
|
|
Δ G В= σТМ– (σМВ+ σТВ). (21.6)
Для самопроизвольного процесса Δ G В< 0, который характеризуется участком I кривой, изображенной на рис. 2.1, с учетом условия (3.1) можно написать
σТМ– (σТВ+ σМВ) < 0 или σТМ< σМВ+ σТВ. (21.7)
В соответствии с условием (21.7) для самопроизвольного удаления загрязнений необходимо, чтобы межфазовое поверхностное натяжение σТМбыло меньше поверхностного натяжения масла σМВи твердого тела σТВна границе с водой. Этот процесс осуществляется в результате адсорбции коллоидных ПАВ. Таким образом, первая и вторая стадии моющего действия связаны с поверхностными свойствами коллоидных ПАВ.
За счет механического воздействия, например при стирке, можно усилить моющее действие, особенно в тех случаях, когда условие (21.7) не выполняется и не происходит самопроизвольного нарушения адгезионного взаимодействия. В этом случае под действием ПАВ адгезия частиц загрязнений снижается, что способствует удалению их механическим путем.
Отличительные особенности коллоидных ПАВ наиболее ощутимы на стадии моющего действия, которая заключается в удержании загрязнений в жидкой среде и в предотвращении их возможного оседания на обрабатываемую поверхность.
|
|
|
Удержание частиц в растворе определяется целым комплексом коллоидных свойств растворов ПАВ (3—7 на рис. 21.4). Прежде всего, происходит диспергирование частиц на более мелкие (3; этот процесс схематически показан в отношении большой частицы). Комки твердых загрязнений в результате пептизации переходят во взвешенное состояние с одновременным дроблением крупных частиц на более мелкие или разрушением агрегатов. Затем на поверхности частиц образуются адсорбционно-сольватные слои (см. рис. 10.7), которые препятствуют агрегации частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. происходит образование стабилизированной суспензии. Пептизация с одновременным суспендирущим действием коллоидных ПАВ способствует удержанию твердых загрязнений (6).
В случае жидких жировых загрязнений возможно самопроизвольное диспергирование до мелких капель, когда дисперсная система является лиофильной. Капли масляных загрязнений образуют прямую эмульсию М/В, а адсорбционные слои ПАВ 5 (см. рис. 21.4) способствуют удержанию их в водной среде. Кроме того, особенно для лиофобных систем, масляные загрязнения удерживаются в объеме водной среды за счет солюбилизации (4). Коллоидные ПАВ являются еще и пенообразователями. К пузырькам пен прилипают частицы загрязнений (7), которые удерживают их в растворе, затем происходит флотационное всплытие пузырьков (см. параграф 3.4).
В целом именно на третьей стадии моющего действия в полной мере проявляются объемные свойства растворов коллоидных ПАВ.
В основе моющего действия лежат следующие коллоидно-химические процессы: смачивание, адгезия, адсорбция, пептизация, солюбилизация, эмульгирование, суспендирование, пенообразование.
Растворы одних только коллоидных ПАВ часто обладают определенными недостатками; слабо проявляются некоторые коллоидно-химические свойства, в частности пептизация, стабилизирующее действие растворов по предотвращению оседания частиц недостаточно; возможны отрицательные последствия применения ПАВ, (например, усадка тканей, аллергия кожи и др.); в некоторых случаях наблюдается повышенный расход вещества. По этой причине на практике используют моющие средства.
Не все ПАВ могут вызывать моющее действие и входить в состав моющих средств. Водные растворы, например, бутилового спирта или валериановой кислоты хотя и снижают поверхностное натяжение, но не являются коллоидными ПАВ и не обладают моющим действием.
Моющие средства — это жидкие или порошкообразные препараты, в состав которых помимо коллоидных ПАВ входят и другие вещества.
Обычное жировое мыло является моющим средством. Оно содержит в качестве коллоидных ПАВ натриевые или кальциевые соли высокомолекулярных жирных кислот, чаще стеариновой [см. формулу (21.2)]. В качестве добавок используют различные наполнители, придающие мылу определенные свойства (запах, прочность, маслянистость и т.д.). Моющее действие обычного мыла наиболее эффективно в нагретой воде (не ниже 313 К) и при отсутствии солей, определяющих жесткость воды. Соли Mg2+и Са2+взаимодействуют с солями высокомолекулярных жирных кислот и образуют нерастворимые соединения, нейтрализующие моющее действие мыла. Для использования воды любой жесткости в мыло вводят добавки, которые связывают соли, определяющие жесткость воды.
Широко применяют синтетические моющие средства. Это многочисленные порошки и жидкости производственного и бытового назначения, например стиральные порошки. В состав синтетических моющих средств помимо основного компонента — коллоидного ПАВ или смеси ПАВ — входят активные добавки, интенсифицирующие моющее действие. Эти добавки позволяют снизить ККМ и за счет этого уменьшить расход препарата. Кроме того. они могут сообщать раствору щелочную среду (рН > 7), связывать соли жесткости, предотвращать отрицательные действия препарата на обрабатываемый объект.
В настоящее время применяют тысячи различных композиций моющих средств, рассчитанных на обработку разнообразных объектов при использовании воды любой жесткости (даже морской).
Значительная пенообразующая способность некоторых моющих средств приводит к отрицательным последствиям. Медленное разложение коллоидных ПАВ в различных моющих средствах оборачивается серьезной проблемой. Очистительные сооружения обычно не очищают сточные воды от этих ПАВ. Попадая в реки, такие моющие средства продолжают действовать. Пенообразующая способность может привести к вспениванию рек. В связи с этим в настоящее время применяют такие коллоидные ПАВ, которые способны в дальнейшем биологически разлагаться и терять свои свойства, в том числе и способность к пенообразованию.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 102; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!